一種甲烷化反應器及甲烷化工藝的制作方法

本發明涉及一種甲烷化反應器及甲烷化工藝。

背景技術：

我國的能源結構是富煤、貧油、少氣，目前國內天然氣產量遠不能滿足國民經濟的快速發展需求。發展煤制替代天然氣既是對煤炭資源的清潔、高效利用，又是對我國常規天然氣不足的戰略補充。對于優化產業結構，保障國民經濟的正常運行，起到了至關重要的作用。

煤制替代天然氣主要是通過煤的氣化、變換、酸性氣脫除、甲烷化等工藝最終得到滿足質量要求的甲烷產品。甲烷化反應是co、co2與h2在甲烷化催化劑作用下，生成ch4和h2o的反應，是一個反應分子數減小的強放熱反應。研究表明，每轉化1％的co或co2可產生的絕熱溫升分別達到了70℃或60℃。為了控制甲烷化反應溫度，回收反應中產生的大量熱能，工業化甲烷化工藝采用多個固定床絕熱甲烷化反應器串連，逐級進行甲烷化反應，在反應器之間設置熱量回收裝置。

甲烷化反應器是煤制天然氣項目的核心設備之一。目前甲烷化反應器主要采用固定床絕熱反應器，存在反應器設備尺寸龐大、床層壓降大、容易出現局部飛溫、移熱緩慢、轉化率低等不足。為了克服傳統化工中存在傳熱、傳質效率低的問題，二十世紀八九十年代興起了微化工技術。微反應器作為微化工技術的核心組成部分，它是以毫米、微米為量級的化學反應系統。一方面微反應器具有微尺度化、較大的比表面、擴散距離短、停留時間短、阻力小等特點，其傳質、傳熱和反應效果較普通反應器高1-3數量級；另一方面，可以根據實際的工業生產能力要求，通過具有功能化的微反應器模塊集 成以及數量的增減達到控制和調節生產，有利于實現設備的最大利用效率，同時縮短設備的加工時間。

近年來，微通道反應器在氣固相催化反應、液固相催化反應中受到越來越多的關注。公告號為cn202893334u的中國專利公開了一種微通道反應器，該微通道反應器采用鈦合金板式結構，每個鈦合金冷卻蓋板內設置有冷卻倉和反應倉，該微通道反應器能夠承受高壓和抗蝕性，不足之處在于反應物在反應倉內停留時間短，生產效率較低。公告號為cn203540513u的中國專利公開了一種用于甲烷化工藝的微通道反應器，該反應器將微反應通道固定在反應器中部的支撐板上，難以消除熱脹冷縮產生的應力。公告號為cn102151531a的中國專利公開了一種甲烷化反應器及其合成氣完全甲烷化的方法，該微反應器由若干反應通道和移熱通道交替平行排布，反應器的壓降較大，同時難以承受高壓。公告號為cn204841617u、cn204816459u的中國專利，將甲烷化反應器運用于煤制sng甲烷化工藝，目標產物具有較高的選擇性，不足之處在于原料氣在該類反應器的停留時間較短，造成原料轉化率偏低。

因此，減小反應器的設備尺寸、降低壓降損失，避免原料在催化劑床層中出現的溝流和短路現象，提高反應物的轉化效率，充分延長反應器的使用壽命，滿足反應器大型化的需求是目前亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種甲烷化反應器和甲烷化工藝，該甲烷化反應器不僅活性金屬使用量少、設備尺寸更小，而且采用該甲烷化反應器的甲烷化工藝，床層壓降低、原料轉化率高、無氣體偏流和短路現象，反應器壽命更長，具有經濟效益高、綜合能耗低等特點。

為了實現上述目的，本發明第一方面：提供一種甲烷化反應器，該反應 器包括圓筒形密封承壓殼體、從殼體頂部伸入到殼體內部的進氣管、從殼體底部伸入到殼體內部的出氣管、設置在殼體內進氣管下方出氣管上方的徑向催化反應區、以及徑向催化反應區的取熱設備；徑向催化反應區包括中心筒以及包括或不包括套設在中心筒外的至少一個套筒；中心筒具有中心管，中心管與出氣管流體連通；中心筒與最內層的套筒的筒壁之間以及相鄰套筒的筒壁之間形成有集流道；最外層的套筒的外壁或者不存在套筒時的中心筒的外壁與殼體的內壁之間形成有環隙；中心筒和套筒均具有多個徑向設置的徑向微反應通道，并且中心筒的筒體內外以及套筒的筒體內外僅通過該徑向微反應通道流體連通；進氣管通過其下方的環隙與中心筒或最外層套筒中的徑向微反應通道的徑向微通道反應氣體入口流體連通，中心筒中的徑向微反應通道的徑向微通道反應產物出口通過中心管與出氣管流體連通；徑向微反應通道內設置有增加流體湍動作用的導流組件。

優選地，殼體的上部具有至少一個冷卻介質入口，殼體的下部具有至少一個冷卻介質出口，取熱設備包括冷卻介質管線；中心筒和每個套筒各自具有由各自筒的內壁和外壁形成的容納微反應通道的封閉空間，每一個封閉空間的上部通過冷卻介質管線與冷卻介質入口流體連通，每一個封閉空間的下部通過冷卻介質管線與冷卻介質出口流體連通，并且每一個封閉空間與進氣管、中心管和出氣管均為流體不連通。

優選地，殼體的上部具有至少一個冷卻介質入口，殼體的下部具有至少一個冷卻介質出口，取熱設備包括冷卻介質管線；冷卻介質入口與冷卻介質出口之間通過設置在集流道內且環繞中心筒和/或套筒的冷卻介質管線流體連通。

優選地，導流組件包括與徑向微反應通道的內壁固定連接的固定軸和串聯在固定軸上的導流元件，導流元件的朝向徑向微反應通道進氣方向的一端為凸形。

優選地，導流元件為選自圓錐體、圓錐面、半球體、半球面、球體和球面中的至少一種；圓錐體、圓錐面的底面直徑介于徑向微通道反應產物出口的直徑與徑向微通道反應氣體入口的直徑之間；半球體、半球面、球面、球體的球面直徑介于徑向微通道反應產物出口的直徑與徑向微通道反應氣體入口的直徑之間；相鄰兩個導流元件的間距不小于導流元件的高度。

優選地，每個導流組件包括3-100個導流元件。

優選地，徑向微反應通道的內表面和/或導流元件的外表面分別負載有催化活性組分；徑向微反應通道的直徑在2-50毫米之間；徑向微反應通道的直徑從徑向微通道反應氣體入口向徑向微通道反應產物出口的方向逐漸減小；徑向微通道反應氣體入口的直徑與徑向微通道反應產物出口的直徑的比值為(1.1-20)：1；徑向微反應通道為選自錐形管、喇叭形管、y形管和梯形管中的其中一種；微反應通道的內部空間的總體積為徑向催化反應區的體積的30％-80％。

本發明第二方面：提供一種甲烷化工藝，該工藝包括：a、將煤氣化得到的合成氣經凈化處理和預熱后分成兩股，第一股合成氣送入1#主甲烷化反應器進行1#主甲烷化反應，反應后的物料經過降溫后與第二股合成氣混合后一起送入2#主甲烷化反應器進行2#主甲烷化反應，得到第一產物；b、將步驟a中所得的第一產物經降溫后送入至少一臺補充甲烷化反應器進行補充甲烷化反應，得到第二產物；c、將步驟b中所得的第二產物經降溫后進行分離處理，得到甲烷化產物；其中，1#主甲烷化反應器、2#主甲烷化反應器和補充甲烷化反應器中的至少一臺為本發明第一方面所提供的甲烷化反應器。

優選地，將來自汽包的經過鍋爐給水加熱器預熱的鍋爐給水通過冷卻介質入口加入到反應器中進行取熱，取熱后得到的蒸汽送入汽包中。

優選地，合成氣包括氫氣及一氧化碳和/或二氧化碳，合成氣的m值為2.85-3.5；m值為合成氣所含氫氣的體積與二氧化碳的體積之差同一氧化碳 和二氧化碳體積之和的比值。

優選地，1#主甲烷化反應的條件為：反應溫度為300-700℃，反應壓力為1.0-8.5兆帕，體積空速為2000-50000h^-1；2#主甲烷化反應的條件為：反應溫度為300-700℃，反應壓力為1.0-8.5兆帕，體積空速為2000-50000h^-1；補充甲烷化反應的條件為：反應溫度為300-550℃，反應壓力為1.0-4.5兆帕，體積空速為2000-50000h^-1；第一股合成氣與第二股合成氣的體積比為1:(1-3.5)。

與現有技術相比，本發明提供的甲烷化反應器和甲烷化工藝具有如下優點：

1、微反應通道內設置有增加流體湍動作用的導流組件，且導流組件與徑向微反應通道同軸，增加了反應原料在微通道內的湍流程度，提高了原料作用于催化劑活性位上的概率，從而提高了原料轉化率；

2、該反應器由若干大小相同的微反應通道構成的反應區域，無反應死區和氣體的偏流現象，取熱設備可以有效移除反應過程中放出的熱量，床層的溫度較為均勻，不會出現熱點，充分保證了整個運行周期的平穩運行，延長了反應器的使用壽命(壽命可以提高15％-50％)，床層壓降較同處理量的徑向反應器低50％-85％；

3、采用涂覆含有甲烷化反應催化活性組分的微反應通道和/或導流元件，活性金屬使用量為同等處理能力常規固定床反應器所用量的5％-35％，節約了活性金屬的使用量，特別能夠降低貴金屬催化劑的生產成本；

4、該甲烷化工藝的原料轉化率高，co的轉化率將近100％，目標產物ch4的選擇性超過95％，能夠滿足現行煤制替代天然氣的生產過程；

5、可以根據實際的工業生產能力要求，通過具有功能化的微反應通道模塊集成以及數量的增減達到控制和調節生產，有利于實現設備的最大利用效率，無明顯放大效應，同時縮短設備的加工時間，進一步降低反應器生產 成本；

6、不僅可以運用于煤制替代天然氣和焦爐煤氣甲烷化工藝，還可用于甲醇合成、co變換、費托合成等固定床催化放熱反應。

本發明的其他特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是本發明提供的甲烷化反應器的一種具體實施方式的結構示意圖(具有兩個套筒且微反應通道為具有半球體導流元件的錐形管)；

圖2是本發明提供的甲烷化反應器的一種具體實施方式的剖視圖(即圖1中a-a面的剖視圖)；

圖3是本發明提供的甲烷化工藝的一種具體實施方式的流程示意圖(采用圖1所示的甲烷化反應器，具有1#補充甲烷化反應器)；

圖4是本發明提供的甲烷化反應器的另一種具體實施方式的結構示意圖(不具有套筒，微反應通道為具有圓錐體導流元件的錐形管)；

圖5是本發明提供的甲烷化反應器的另一種具體實施方式的剖視圖(即圖4中a-a面的剖視圖)；

圖6是本發明提供的甲烷化工藝的另一種具體實施方式的流程示意圖(采用圖4所示的甲烷化反應器，具有1#、2#補充甲烷化反應器)；

圖7是本發明提供的甲烷化反應器的第三種具體實施方式的結構示意圖(具有兩個套筒且微反應通道為具有半球體導流元件的錐形管，冷卻介質管線設置在集流道內)；

圖8是本發明提供的甲烷化反應器的第三種具體實施方式的剖視圖(即 圖7中a-a面的剖視圖)；

圖9是本發明提供的甲烷化工藝的第三種具體實施方式的流程示意圖(采用圖7所示的甲烷化反應器，具有1#補充甲烷化反應器)；

圖10是本發明提供的甲烷化反應器的一種具體實施方式所采用的具有導流組件的微反應通道示意圖；

圖11是本發明提供的錐形管微反應通道的剖視圖(即圖10中a-a面的剖視圖)；

圖12是本發明提供的錐形管微反應通道的剖視圖(即圖10中b-b面的剖視圖)；

圖13是本發明提供的甲烷化反應器所采用的微反應通道的一種具體實施方式(錐形管)的示意圖；

圖14是本發明提供的甲烷化反應器所采用的微反應通道的一種具體實施方式(喇叭形管)的示意圖；

圖15是本發明提供的甲烷化反應器所采用的微反應通道的一種具體實施方式(y形管)的示意圖；

圖16是本發明提供的甲烷化反應器所采用的微反應通道的一種具體實施方式(梯形管)的示意圖；

圖17是發明提供的甲烷化反應器所采用的導流組件的一種具體實施方式(半球體)的示意圖；

圖18本發明提供的甲烷化反應器所采用的導流組件的一種具體實施方式(半球面)的示意圖；

圖19本發明提供的甲烷化反應器所采用的導流組件的一種具體實施方式(球面)的示意圖；

圖20本發明提供的甲烷化反應器所采用的導流組件的一種具體實施方式(球體)的示意圖；

圖21本發明提供的甲烷化反應器所采用的導流組件的一種具體實施方式(圓錐體)的示意圖；

圖22本發明提供的甲烷化反應器所采用的導流組件的一種具體實施方式(圓錐面)的示意圖。

附圖標記說明

1殼體2進氣管3出氣管4中心筒

5中心管6微通道反應氣體入口7微通道反應產物出口

8環隙9套筒10第一氣體分布器11第二氣體分布器

12隔熱材料區13徑向微反應通道14導流組件

15集流道16封閉空間17固定軸18導流元件

191#主甲烷化反應器202#主甲烷化反應器

211#補充甲烷化反應器221#冷卻器232#冷卻器

24鍋爐給水加熱器25產品分離器26汽包

27蒸汽過熱器281#余熱鍋爐292#補充甲烷化反應器

302#余熱鍋爐

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。

本發明第一方面：提供一種甲烷化反應器，該反應器包括圓筒形密封承壓殼體1、從殼體1頂部伸入到殼體內部的進氣管2、從殼體1底部伸入到殼體內部的出氣管3、設置在殼體1內進氣管2下方出氣管3上方的徑向催化反應區、以及徑向催化反應區的取熱設備；徑向催化反應區包括中心筒4 以及包括或不包括套設在中心筒4外的至少一個套筒9；中心筒4具有中心管5，中心管5與出氣管3流體連通；中心筒4與最內層的套筒9的筒壁之間以及相鄰套筒9的筒壁之間形成有集流道15；最外層的套筒9的外壁或者不存在套筒9時的中心筒4的外壁與殼體1的內壁之間形成有環隙8；中心筒4和套筒9均具有多個徑向設置的徑向微反應通道13，并且中心筒4的筒體內外以及套筒9的筒體內外僅通過該徑向微反應通道13流體連通；進氣管2通過其下方的環隙8與中心筒4或最外層套筒9中的徑向微反應通道13的微通道反應氣體入口6流體連通，中心筒4中的徑向微反應通道13的微通道反應產物出口7通過中心管5與出氣管3流體連通；徑向微反應通道13內設置有增加流體湍動作用的導流組件14。

根據本發明的第一方面，中心筒4以及套筒9均可以由密封連接的頂部密封板、底部密封板和側壁構成，其內可以空心，可以實心，只要能夠容納微反應通道13即可。中心筒4的直徑與中心管5的直徑之比以及中心筒4的直徑與套筒9的直徑之比均可以為適合的任意比。

根據本發明的第一方面，在相同的反應條件和反應器直徑下，增加套筒9的數量可以增加反應氣體與催化劑的接觸時間，降低反應氣體流速，從而達到減小壓降，提高轉化率的作用，因此可以根據實際反應情況來調整套筒9的數量，所述套筒9的數量優選1-500個，進一步優選為2-50個。

由于甲烷化反應是放熱反應，因此需要降低甲烷化反應器的溫度，本發明通過徑向催化反應區的取熱設備對甲烷化反應器進行降溫，取熱設備包括冷卻介質管線。根據本發明的第一方面的一種具體實施方式，殼體1的上部可以相對地設置有1#冷卻介質入口和2#冷卻介質入口，殼體1的下部也可以對稱地設置有1#冷卻介質出口和2#冷卻介質出口；中心筒4和每個套筒9各自具有由各自筒的內壁和外壁形成的容納微反應通道13的封閉空間16，每一個封閉空間16的上部通過冷卻介質管線與冷卻介質入口流體連通，每 一個封閉空間16的下部通過冷卻介質管線與冷卻介質出口流體連通，并且每一個封閉空間16與進氣管2、中心管5和出氣管3均為流體不連通。

根據本發明第一方面的另一種具體實施方式，冷卻介質入口與冷卻介質出口之間通過設置在集流道15內且環繞中心筒4和/或套筒9的冷卻介質管線流體連通。需要說明的是，同一對冷卻介質入口和冷卻介質出口之間可以通過多根冷卻介質管線流體連通。

根據本發明的第一方面，為了提高原料氣的轉化率，在徑向微反應通道13內設置有增加流體湍動作用的導流組件14，導流組件14包括固定軸17和導流元件18。導流組件14與徑向微反應通道13同軸，導流組件14兩端分別固定于微通道反應氣體入口6、微通道反應產物出口7，導流元件18串聯固定在固定軸17上，如圖10、圖11、圖12所示。在同一導流組件14使用的導流元件18大小可以是從微通道反應氣體入口6到微通道反應產物出口7逐漸減小，也可以逐漸增大，也可以不變，優選的同一導流組件14使用的導流元件18大小相同。導流元件18的朝向所述徑向微反應通道13進氣方向的一端為凸形，例如可以為選自半球體、半球面、球面、球體、圓錐體、圓錐面中的一種(分別如圖17、圖18、圖19、圖20、圖21和圖22)。

根據本發明第一方面的一種具體實施方式，進一步地，當導流元件18為圓錐體或圓錐面時，其底面直徑介于微通道反應產物出口7的直徑與微通道反應氣體入口6的直徑之間，優選的，其底面直徑為微通道反應產物出口7的直徑與微通道反應氣體入口6的直徑之和的五分之一到五分之四，長度不大于徑向微反應通道13長度的0.9倍，更進一步地，長度為徑向微反應通道13長度的0.1-0.5倍；當導流元件18為半球體、半球面、球面或球體時，其球面直徑介于微通道反應產物出口7的直徑與微通道反應氣體入口6的直徑之間，優選的，球面直徑為微通道反應產物出口7的直徑與微通道反應氣體入口6的直徑之和的五分之一到五分之四。相鄰兩個導流元件18的間距 不小于所述導流元件18的高度。

根據本發明的第一方面，導流元件18和固定軸17可以采用金屬材質管、陶瓷材質管，優選采用不與反應系統中的氣體發生反應的金屬管；每個導流組件14所包括導流元件18的數量可以根據徑向微反應通道13的尺寸和實際反應情況來調整，例如可以為3-100個。

根據本發明的第一方面，為了使所述甲烷化反應器能夠用于制取甲烷，徑向微反應通道13的內表面、導流元件18的外表面可以負載有催化活性組分。所述催化活性組分可以采用本領域技術人員所熟知的催化活性組分，例如可以是具有甲烷化反應活性的鎳、釕和銠等金屬；所述的負載是指可以通過浸漬、離子濺射、涂覆或裝填等方法將含有活性組分的催化劑或直接將活性組分負載到微反應通道內。其中，活性金屬組分涂覆負載過程可以采用本領域技術人員所熟知的包括金屬基體的預處理和催化劑沉積兩個階段的涂覆方法。

根據本發明的第一方面，為了保證甲烷化反應的效率，所述徑向微反應通道13的直徑可以在2-50毫米之間。由于甲烷化反應是總體積縮小的反應，因此所述徑向微反應通道13的直徑可以從所述微通道反應氣體入口6向微通道反應產物出口7的方向逐漸減小(保證微通道反應氣體入口6的直徑大于微通道反應產物出口7的直徑即可，也包括通道直徑先減小后不變的情況)。所述微通道反應氣體入口6的直徑與所述微通道反應產物出口7的直徑的比值可以為(1.1-20)：1，優選為(2-10)：1。需要說明的是，如果將發明的反應器用于其它反應，可以根據該反應的具體情況設置微反應通道13的直徑。

根據本發明第一方面，徑向微反應通道13可以為選自錐形管、喇叭形管、y形管和梯形管中的其中一種(分別如圖13、圖14、圖15和圖16所示)；應該理解的是，微通道反應氣體入口6的直徑大于微通道反應產物出 口7的直徑。錐形管、喇叭形管、y形管和梯形管可以采用金屬材質管、陶瓷材質管，優選采用不與甲烷化反應系統中的氣體發生反應的金屬管。需要說明的是，本領域技術人員常規使用的錐形管是指兩端開口的圓臺形中空型材，而非軸向截面為錐形的型材。

根據本發明的第一方面，由于甲烷化反應是放熱反應，為了兼顧反應效率和甲烷化反應器的溫度控制，徑向微反應通道13的內部空間的總體積可以為催化反應區的體積的30％-80％，優選為35％-65％。

根據本發明的第一方面，進氣管2的下部可以設置有至少一個用于分布送入反應器的反應氣的氣體分布器。氣體分布器可以采用本領域技術人員常規所用的，本發明不再贅述，氣體分布器優選設置有兩個。

根據本發明的第一方面，環隙8的上端可以為開口并與進氣管2流體連通，環隙8的底端可以封閉。

根據本發明的第一方面，為了防止殼體1的底部過度受熱以及阻止中心筒4和套筒9向下移動，徑向催化反應區的底部與殼體1的底部之間可以設置有隔熱材料區12。所述隔熱材料區12內可以放置有本領域技術人員所熟知的單一材質或多種復合材質的隔熱球、隔熱氈毯或隔熱帶等隔熱材料。

本發明第二方面：提供一種甲烷化工藝，該工藝包括：a、將煤氣化得到的合成氣經凈化處理和預熱后分成兩股，第一股合成氣送入1#主甲烷化反應器19進行1#主甲烷化反應，反應后的物料經過降溫后與第二股合成氣混合后一起送入2#主甲烷化反應器20進行2#主甲烷化反應，得到第一產物；b、將步驟a中所得的第一產物經降溫后送入至少一臺補充甲烷化反應器進行補充甲烷化反應，得到第二產物；c、將步驟b中所得的第二產物經降溫后進行分離處理，得到甲烷化產物；其中，1#主甲烷化反應器19、2#主甲烷化反應器20和補充甲烷化反應器中的至少一臺為本發明第一方面所提供的甲烷化反應器。優選地，所述補充甲烷化反應器的數量為1-3臺。

根據本發明的第二方面，為了控制甲烷化反應器的反應溫度，可以將鍋爐給水(即冷卻介質)送入1#主甲烷化反應器19、2#主甲烷化反應器20和補充甲烷化反應器中進行取熱，所產生的蒸汽送入汽包中，產生的蒸汽經過蒸汽過熱器27得到超高壓過熱蒸汽，本發明優選多個甲烷化反應器共用一個汽包。

根據本發明的第二方面，合成氣是本領域技術人員所熟知的含有氫氣、一氧化碳和/或二氧化碳的混合氣體，優選為m值為2.85-3.5的合成氣；所述m值為所述甲烷化合成氣所含氫氣的體積與二氧化碳的體積之差同含一氧化碳和二氧化碳體積之和的比值，即m＝(v(h2)-v(co2))/(v(co+co2))，因為如果甲烷化反應進行完全，v(h2)：v(co2)＝4:1，v(h2)：v(co)＝3:1，而m值為3左右，意味著含碳氧化合物與氫氣差不多剛好反應完全。

根據本發明的第二方面，所述凈化處理可以依次包括本領域技術人員所熟知的水解、脫硫、脫氧和脫硝處理。

根據本發明的第二方面，所述1#主甲烷化反應的條件為：反應溫度為300-700℃，反應壓力為1.0-8.5兆帕，體積空速為2000-50000h^-1；所述2#主甲烷化反應的條件為：反應溫度為300-700℃，反應壓力為1.0-8.5兆帕，體積空速為2000-50000h^-1；所述補充甲烷化反應的條件為：反應溫度為300-550℃，反應壓力為1.0-4.5兆帕，體積空速為2000-50000h^-1；第一股合成氣與第二股合成氣的體積比為1:(1-3.5)。

下面將結合附圖通過實施例來進一步說明本發明，但是本發明并不因此而受到任何限制。

實施例1

如圖3所示，本實施例的反應裝置由1#主甲烷化反應器19、2#主甲烷化反應器20、1#補充甲烷化反應器21、1#冷卻器22、2#冷卻器23、鍋爐給 水加熱器24、產品分離器25、汽包26、蒸汽過熱器27和1#余熱鍋爐28相連。1#主甲烷化反應器19和2#主甲烷化反應器20采用串并聯的方式相連。

操作步驟如下：

1、將h2/co體積比為3.0(m＝3.0)，壓力為3.5mpa、溫度為280℃的合成氣，分成兩股，第一股進入1#主甲烷化反應器19進行1#主甲烷化反應，反應溫度為650℃，壓力為3.48mpa，體積空速為9000h^-1，反應后的氣體經過1#余熱鍋爐28移除部分熱量后，與第二股合成氣一起進入2#主甲烷化反應器20進行2#主甲烷化反應，反應溫度為645℃，壓力為3.43mpa，體積空速為15000h^-1，第一股合成氣與第二股合成氣的體積比為1:1.5，兩個主甲烷化反應器的結構參數相同；

2、1#主甲烷化反應器19和2#主甲烷化反應器20所得的第一產物經過蒸汽過熱器27換熱后，溫度降為410℃，然后進入1#補充甲烷化反應器21，進一步轉化第一產物中未反應的合成氣；1#補充甲烷化反應器21的反應溫度為435℃，壓力為3.38mpa；

3、經過1#補充甲烷化反應器后，第二產物經鍋爐給水加熱器24、2#冷卻器23和1#冷卻器22降溫后，經產品分離器25后分離得到甲烷化產物；

4、鍋爐給水經過鍋爐給水加熱器24預熱后，進入汽包26，分七股，其中以兩股形式從上部分別進入1#主甲烷化反應器19、2#主甲烷化反應器20、1#補充甲烷化反應器21，剩下的一股進入1#余熱鍋爐28，產生蒸汽全部進入汽包26，三臺甲烷化反應器共用一個汽包26；汽包中的水蒸汽經蒸汽過熱器過熱后送出反應界區。

本實施例中一氧化碳的轉化率為100％，甲烷的選擇性為97.5％，同時副產10.4mpa，530℃的超高壓過熱蒸汽。

本實施例所采用的3個甲烷化反應器均如圖1和圖2所示，結構如下：

如圖1和圖2所示，甲烷化反應器包括殼體1、進氣管2、出氣管3和 徑向催化反應區。進氣管2的下端設置有第一氣體分布器10和第二氣體分布器11，徑向催化反應區與殼體1的底面之間設置有由隔熱氈毯構成的隔熱材料區12。徑向催化反應區包括同軸的中心筒4和2個套筒9，中心筒4中心具有中心管5，中心筒4與套筒9之間、套筒9之間形成集流道15，套筒9和殼體1的側壁形成環隙8。中心筒4和套筒9由若干內表面涂覆有活性催化劑的徑向微反應通道13構成。本實施例所采用的徑向微反應通道13為如圖13所示的錐形管，錐形管內表面負載活性金屬nio的量為20g/m²，整個徑向催化反應區內錐形管徑向微反應通道13的數量為62800根(為清楚顯示，未全部示出)。

中心筒的高度為1500mm，殼體內徑為1000mm，中心管直徑為200mm，環隙間距為35mm，兩個套筒與中心筒的厚度相同(徑向距離相同)，在本實施例集流道寬度為25mm，所采用的錐形管微反應通道長度為105mm，微通道反應氣體入口處直徑12mm，微通道反應產物出口處直徑4mm，導流元件采用半球體(如圖17所示)，球面朝向微通道反應氣體入口，其底面直徑為3mm，相鄰導流元件間距為5mm，每個導流組件包含7個導流元件(實施例中為了便于觀察，未全部給出)，導流元件外表面不負載活性組分，導流元件通過固定軸固定于反應通道內，所有錐形管的總體積占催化反應單元的體積的比例為42.8％。

本實施例所采用的甲烷化反應器中有六個取熱設備，其中，兩個設置在中心筒4內，四個設置在套筒9中。兩股冷卻介質分別從殼體1外側的1#冷卻介質入口和2#冷卻介質入口進入殼體1內，所述1#冷卻介質入口與所述2#冷卻介質入口各通過三根冷卻介質管線同所述中心筒4、套筒9的內壁與所述徑向微反應通道13的外壁所形成的封閉空間16流體連通，該封閉空間通過穿過隔熱材料區12的冷卻介質管線與1#冷卻介質出口和2#冷卻介質出口流體連通，將冷卻介質送出甲烷化反應器。

實施例2

如圖6所示，本實施例采用的流程與實施例1的不同之處在于本實施例在1#補充甲烷化反應器和鍋爐給水加熱器24之間設置有2#余熱鍋爐30和2#補充甲烷化反應器29，同時主甲烷化反應和補充甲烷化反應器內部徑向催化反應區也與實施例1不同。

經過1#補充甲烷化反應器21后的反應物料經過2#余熱鍋爐30移除部分熱量后送入2#補充甲烷化反應器29繼續進行補充甲烷化反應，所得的第二產物再經鍋爐給水加熱器24、2#冷卻器23和1#冷卻器22降溫后，經產品分離器25后分離得到甲烷化產物；本實施例中一氧化碳的轉化率為99.99％，甲烷的選擇性為98％，同時副產10.4mpa，530℃的超高壓過熱蒸汽。

本實施例中采用的甲烷化反應器只有中心筒，沒有套筒，如圖4、圖5所示。中心筒8的高度為1500mm，殼體內徑為1000mm，中心管直徑為200mm，環隙間距為35mm，所采用的錐形管微反應通道長度為365mm，微通道反應氣體入口處直徑10mm，微通道反應產物出口處直徑4mm，導流元件采用圓錐體(如圖21所示)，其底面直徑為3mm，長度為4mm，相鄰導流元件間距為5mm，每個導流組件包含35個導流元件(實施例中為了便于觀察，未全部給出)，導流元件通過固定軸固定于反應通道內；整個徑向催化反應區內錐形管微反應通道10的數量為41800根(為清楚顯示，未全部示出)，所有錐形管的總體積占催化反應單元的體積的比例為65.1％。

本實施例所采用的甲烷化反應器中有兩個取熱設備，設置在中心筒中。兩股冷卻介質分別從殼體1外側的1#冷卻介質入口和2#冷卻介質入口進入殼體1內，1#冷卻介質入口與2#冷卻介質入口各通過一根冷卻介質管線同中心筒4內壁與微反應通道13的外壁所形成的封閉空間16流體連通，該封閉 空間16通過穿過隔熱材料區12的冷卻介質管線與1#冷卻介質出口和2#冷卻介質出口流體連通，將冷卻介質送出甲烷化反應器。

實施例3

如圖9所示，本實施例的采用的流程與實施例1相同。不同之處在于本實施例的采用主甲烷化反應器和補充甲烷化反應器內部的取熱設備不同，如圖7、圖8所示。

本實施例中一氧化碳的轉化率為100％，甲烷的選擇性為97％，同時副產10.4mpa，530℃的超高壓過熱蒸汽。

本實施例所采用的甲烷化反應器與實施例1所采用的甲烷化反應器的不同之處在于本實施例所采用的甲烷化反應器中的取熱設備設置在兩個集流道15中，冷卻介質入口與介質出口之間通過設置在所述集流道15內且環繞中心筒4和套筒9的冷卻介質管線流體連通。冷卻介質從殼體1外側的冷卻介質入口進入殼體1內部，然后分成兩股，一股經設置在內層集流道內環繞中心筒4的冷卻介質管線對甲烷化反應器進行降溫，另一股經設置在外層集流道內的由一根冷卻介質管線繞制而成的管線筒對甲烷化反應器進行降溫。

本發明提供的甲烷化反應器結構緊湊、活性金屬用量少；將該甲烷化反應器進行甲烷化反應時，床層壓降小、單位體積催化劑生產強度大、反應物擴散路徑較短、原料轉化率高，無氣體偏流和短路現象，且能及時移除反應熱，避免催化劑出現過熱區域，延長了反應器的使用壽命，能夠滿足現行煤制替代天然氣的生產過程。

以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。

此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其 不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。